量子热机室温实现奥图循环；自主行走的液滴 | 一周科技速览_风闻

编辑 | 杨凌、韩若冰、董唯元、陈航

目  录

1. 高效量子热机室温实现奥图循环

2. 童年与流感的第一场斗争最关键

3. 自主行走的液滴

4. 长江白鲟宣告灭绝

1 高效量子热机室温实现奥图循环

许多科幻作品中，都曾出现过那种极其微小的交通工具，能够穿梭于人体毛细血管，甚至进入细胞内部。我们知道，现实中当然不可能像漫威电影《蚁人》那样，直接把一辆汽车缩小到病毒那么大。如果想造出病毒大小的交通工具，必须设计一种新的发动机。

其实早在1959年，就有科学家借鉴普通汽车发动机的热循环过程，提出了一种名为“三级放大”的模型，可以实现量子热机**[1****]**。

日常生活中的汽车发动机，是典型的卡诺热机。如同水利发电机利用水的落差发电一样，卡诺热机就是在热端和冷端之间设置一个循环，利用热量流动推动循环往复，从而向外提供动力。中学物理课本上的卡诺循环，就是其中一种。不过现实中很难实现等温膨胀和等温压缩过程，燃油发动机内部其实经历的是由等容过程和等熵过程组成的奥图循环。

三级放大模型中的三级，是指量子的能量基态、低能激发态和高能激发态这三级。外部的“热端”可以使量子的能级变宽，激发时处于较高能量状态；“冷端”则使量子的能级变窄，激发态的能量较低。通过一定操控，使量子在两个状态间往复，就可以实现向外提供动力的热循环。

这个工作机制对单个粒子依然有效，所以理论上一个粒子就可以当做一台发动机。可惜现实中，无论分子尺度的无规则热运动，还是量子世界的各种随机涨落，都是实现这一梦想的巨大阻碍。

所幸聪明的科学家还想到了这个热循环的逆过程，很快又发表了采用相同模型的制冷技术原理**[2****]，并在1976年左右实现了大名鼎鼎的激光制冷[3-4****]**。激光制冷技术荣获诺奖的同时，也直接或间接的催生出大量其他诺奖级成果，如今已然成为物理学研究的重要技术手段之一。相形之下，量子热机的进展就显得有些滞后。

在刚刚过去的2019年最后一个月里，发表在物理学顶级期刊《Physics Review Letters》上的一篇关于量子热机的文章**[5****]，展示了颇为亮眼的成果[6****]**。

文章的作者是来自加拿大、巴西和新加坡的国际合作研究团队。他们的构建方法是将碳-13为中心的三氯甲烷放置在500MHz的核磁共振仪中，在常温常压下得到了近乎完美的奥图循环热机。其概念验证实验中表现出的做功效率达到了42%，距离理论上限的44%，仅差2个百分点。

这个超级微小的热机一共只由5个原子组成，中心是1个碳-13原子，周围是1个氢原子和3个氯原子。其工作原理主要是利用一种被称为Larmor进动的量子效应，确切的说就是碳原子的自旋磁矩，在碳氢键上不同位置所表现出的不同Larmor进动。

在靠近氢原子的位置，进动频率较高；而靠近碳原子的地方，进动频率较低。这种区别，使碳原子自旋的能级宽度有所不同。也就是说，在碳氢键的两端存在能量落差。根据三级模型所指明的原理，就可以产生奥图循环。

这个微小的热机之所以能够在常温常压下工作，主要是因为向外做功过程的弛豫时间非常短，非平衡态的持续时间约为10-4秒，远远小于退相干所需要的秒级时间。所以热机在整个向外做功的过程中，一直可以保持住自己非对角化的哈密顿量，不必担心受到来自环境的噪声侵扰。

另外文章中还对这个热机的做功特性，以及能谱概率分布等具体内容进行了诸多阐述。颇有一种蓝图已就绪，只等上马开工的感觉。也许在不久的将来，我们就可以将这项昨日科幻变成触手可及的日常。

[1] Scovil, H. E. D.; Schulz-DuBois, E. O. (1959). “Three-Level Masers as Heat Engines”. Physical Review Letters. 2 (6): 262–263. Bibcode:1959PhRvL…2..262S. doi:10.1103/PhysRevLett.2.262. ISSN 0031-9007

[2] Geusic, J. E.; Bois, E. O. Schulz‐Du; De Grasse, R. W.; Scovil, H. E. D. (1959). “Three Level Spin Refrigeration and Maser Action at 1500 mc/sec”. Journal of Applied Physics. 30 (7): 1113–1114. Bibcode:1959JAP….30.1113G. doi:10.1063/1.1776991. ISSN 0021-8979.

[3] Hänsch, T.W.; Schawlow, A.L. (1975). “Cooling of gases by laser radiation”. Optics Communications. 13 (1): 68–69. Bibcode:1975OptCo..13...68H. doi:10.1016/0030-4018(75)90159-5. ISSN 0030-4018.

[4] Letokhov, V.S.; Minogin, V.G.; Pavlik, B.D. (1976). “Cooling and trapping of atoms and molecules by a resonant laser field”. Optics Communications. 19 (1): 72–75. Bibcode:1976OptCo..19...72L. doi:10.1016/0030-4018(76)90388-6. ISSN 0030-4018.

[5] DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.240601

[6] 注：该成果为《Physics Review Letters》期刊的编辑推荐文章。

2 童年与流感的第一场斗争最关键

根据美国亚利桑那大学的新研究结果**[1****]**，一个人能否成功抵御流感，不仅取决于病毒随季节变异的能力，还取决于童年时期首次遭遇的病毒毒株。这些发现解释了为什么在感染同一株流感病毒后，某些患者的症状比其他人更糟糕。这项发现也有助于制定减少季节性流感影响的策略。

过去几十年中，流感病毒的两个亚型H3N2和H1N1导致了季节性流感的爆发。H3N2导致了高危老年人群中大多数的严重病例，以及总人群中的大部分死亡病例，H1N1更倾向于导致年轻人和中年人患病。

研究人员发现，儿童时期首先接触到H1N1的人与首先接触H3N2的人相比，如果随后再次遭遇H1N1，住院的可能性会更小。相反，最初暴露于H3N2的人随后会拥有对H3N2的额外保护。

从进化关系上讲，H1N1和H3N2属于流感“家谱”上的两个独立分类。尽管感染过其中一类确实会使免疫系统在未来更好地对抗另一类，但是当再次暴露于同类当中的病毒株时，这种保护作用会强得多。

数据还揭示了另一种更难解释的模式：H2N2与H1N1为同一类下的两个亚型，属于“近亲”，然而儿童时期首次接触H2N2的人在后来遇到H1N1时没有体现出保护性优势。

“很明显，有些因素会损害你对接触到的第二种病毒株的免疫力，即使它们与第一次暴露属于同一类，”研究者Michael Worobey称。“你接触到的第二个亚型不能产生像第一个那样的保护和持久的免疫应答。”换句话说，人抵抗流感的能力不仅取决于一生中遇到的亚型，还取决于遇到的先后顺序。

Worobey说：“免疫系统首先遇到的任何亚型都会留下印记，可以特别有效地保护我们免受相同亚型毒株的侵害，但即使紧接着遇到其他亚型的毒株，抵抗力也会相对较差。”

研究人员希望他们的发现有助于根据当下流行的亚型，预测未来流感季中哪些年龄组可能受到严重影响。这也有助于卫生官员准备恰当的应对措施，例如按照人群少量分发限定性的疫苗。

[1] Gostic K M, Bridge R, Brady S, et al. Childhood immune imprinting to influenza A shapes birth year-specific risk during seasonal H1N1 and H3N2 epidemics[J]. medRxiv, 2019: 19001834.

3 自主行走的液滴

初中物理课上学习动量守恒的时候，老师常会让学生做个残忍的思想实验：风平浪静的湖中心有艘静止的小船，如果船上的囚犯既没有桨也没有帆，那他无论在船上怎么折腾，也无法让船走到岸边。

这情景很像那些可怜的单细胞生物，他们是如何有目标的在水中游动或在物体表面爬行的呢？也许有专业人士会第一时间想到鞭毛，但一些关心生命起源的研究者仍禁不住好奇，在鞭毛结构尚未进化出来之前，早期原始生命团块难道就只能无奈的随波逐流吗？

近期，一项来自英国研究者的物理学成果，为这一问题提供了颇具启发性的新线索。英国布里斯托大学数学学院的Aurore Loisy及其合作者在物理学顶级期刊《Physics Review Letters》上发表了他们的论文**[1****]**。

论文中展现的并不是具体的实验操作，而是一种非常有趣的液滴数学模型。作者不失一般性的把液滴模型降低到2维，然后通过对解析解的形式化分析和数值模拟两方面，展现了这个神奇的液滴可以在完全无外力牵引的前提下，自主的向某一方向“行走”，就好像活了一样。

当然，这个液滴并不会真的违反任何物理守恒律。事实上，这个液滴之所以能够“行走”，其能量就来源于其内部的物质流动。而产生这些内部物质流动的能量，又来源于系统自由能的消耗。从某种程度上讲，这个液滴模型可以看做是一个简化到极致的“活体”。

与一般生命个体相比，这个数学液滴尚不具备自我复制、刺激反馈等完整生命特征。但在自主行动这一点上，显然已经融通了生命体与非生命体的绝对隔阂。相信在未来，这个数学研究者在物理学上的研究成果，能够推动和启迪更多生物学领域的进展。

[1] Loisy A, Eggers J, Liverpool T B. Tractionless Self-Propulsion of Active Drops[J]. Physical Review Letters, 2019, 123(24): 248006.

4 长江白鲟宣告灭绝

近期，中国水产科学研究院联合捷克科学院生物中心、米亚大学和英国肯特大学在《整体环境科学》杂志发表文章称**[1****]**：长江白鲟已经灭绝。

文章的第一作者张辉博士在文章中给出了关于长江白鲟研究的四点结论：

• 世界上最大的淡水鱼之一，体长可达7米的长江白鲟已经灭绝；• 长江白鲟的灭绝时间估计在2005-2010年；• 长江白鲟在灭绝前已于1993年功能性灭绝；• 濒危长江鱼类的保护工作迫在眉睫。

张辉博士表示，长江特大河流生态系统曾是多种水生巨型动物的家园，但日益增长的各种人为压力，使得长江生态系统生物多样性不断丧失。长江白鲟就是一个典型例子。

长江白鲟曾是3400万至7500万年前最多样化、分布最广的残迹谱系中仅存的两种成员之一，也是最大的淡水鱼之一，体长可达7米。然而，这种在上世纪70年代，产量可以达到每年25公吨的鱼类，由于人类的过度捕捞和栖息地破碎化，自20世纪70年代末以来，长江白鲟的种群数量急剧下降。

在2017-2018年的一项全流域捕捞调查所发现的332种鱼类中**[2****]**，研究人员没有发现一例活的长江白鲟标本。根据1981-2003年期间210次长江白鲟的目击报告，张辉博士估计长江白鲟的灭绝时间约为2005年至2010年。此外，张辉博士认为，长江白鲟可能在1993年之前就已经功能性灭绝 (即无法繁殖) 。显然，无法繁殖可能是长江白鲟灭绝的最主要原因。

张辉博士表示，由于没有活的标本被人工饲养，也没有活的组织被保存起来，根据世界自然保护联盟（IUCN）的红色名录标准**[3****]**，长江白鲟应该被认为已经灭绝。张辉博士认为，长江白鲟的灭绝是多种威胁共同作用的结果，这说明对长江濒危动物的保护迫在眉睫。

[1] Zhang H, Jarić I, Roberts D L, et al. Extinction of one of the world’s largest freshwater fishes: Lessons for conserving the endangered Yangtze fauna[J]. Science of The Total Environment, 2019: 136242.

[2] 注：这些样本中也没有发现约140种长江流域历史上曾经出现过的鱼类，其中大多数已经被认为是高度濒危的物种。

[3] 注：关于长江白鲟是否灭绝的界定存在些许争议，详情可参看：https://tech.sina.com.cn/roll/2020-01-03/doc-iihnzhha0056086.shtml

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